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環(huán)境掃描電鏡的出現(xiàn)被稱為該技術(shù)領(lǐng)域中的革命性突破。其工作原理與傳統(tǒng)儀器有很大不同，極大地減少了對樣品的要求及樣品種類的限制。在微量物證檢驗?zāi)酥琳麄€法庭科學(xué)領(lǐng)域開辟了新的更為廣闊的應(yīng)用前景。
環(huán)境掃描電鏡的原理環(huán)境掃描電鏡探測器是氣體二次電子探頭，它的前端加有數(shù)百伏的正偏壓(相對與樣品)，樣品發(fā)出的二次電子被偏壓加速并與氣體分子(樣品室內(nèi)可充空氣、水氣或惰性氣體)碰撞，使氣體分子電離，形成正離子和電子。這種電子稱為環(huán)境二次電子。環(huán)境二次電子也會被偏壓加速并再次和氣體分子相碰撞，從而使氣體分子電離的過程不斷重復(fù)，這樣一來，二次電子信號得到正比的串級放大。環(huán)境掃描電鏡探測器收集的正是這些被串級放大的電子信號，用其調(diào)制主掃描光柵即可得到樣品的二次電子像。
在樣品電場和偏壓的共同作用下，正離子朝樣品方向運動，中和樣品表面的負(fù)電荷。對于非導(dǎo)體樣品，陽離子的中和作用使樣品表面不會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。
樣品室內(nèi)所充氣體的電離特性直接影響著成像的效果和質(zhì)量。氣體越容易電離，原始二次電子信號串級放大的增益就越高。改變環(huán)境掃描電鏡探測器前端的偏壓，不但可以改變信號增益，還可對樣品室內(nèi)充氣的種類進(jìn)行選擇。通常選擇的樣品室充氣為水蒸氣，它容易電離，而且無毒、方便、成本低。
樣品室內(nèi)所充氣體的多少(真空度的高低)也影響著成像的質(zhì)量。對于非導(dǎo)電樣品，如果充氣過少，樣品室內(nèi)缺少足夠的正離子來中和樣品表面的電荷積累，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。如果充氣過多，圖像中會出現(xiàn)“軟化”而使細(xì)節(jié)丟失。實踐中，對于常見的非導(dǎo)電固體樣品，樣品室水蒸氣氣壓選擇5乇(1乇=1mm汞柱)可獲得較為滿意的圖像。
環(huán)境掃描電鏡的特點普通掃描電鏡的樣品室和鏡筒內(nèi)均為高真空(約為10^-6個大氣壓)，只能檢驗?zāi)透哒婵涨覍?dǎo)電導(dǎo)熱或經(jīng)導(dǎo)電處理的干燥固體樣品。導(dǎo)電處理會引起樣品表面形態(tài)和化學(xué)成分的變化，而且有些樣品是很難進(jìn)行導(dǎo)電處理的。
低真空掃描電鏡(也稱可變壓力掃描電鏡或壓力控制掃描電鏡)使用了一種叫做壓差光闌的新技術(shù)，可使鏡筒部分保持高真空，樣品室內(nèi)為低真空，兩部分之間保持一種動態(tài)平衡。這種電鏡可直接檢驗非導(dǎo)電導(dǎo)熱樣品，無需進(jìn)行處理，但是低真空狀態(tài)下只能獲得背散射電子像。低真空掃描電鏡樣品室內(nèi)的氣體壓力最大只能達(dá)到4乇。
環(huán)境掃描電鏡除具有以上兩種電鏡的所有功能外，還具有以下幾個主要特點：
1、樣品室內(nèi)的氣壓可大于水在常溫下的飽和蒸汽壓
水在攝氏零度時的飽和蒸汽壓為4.6乇，真正意義上的環(huán)境掃描電鏡樣品室內(nèi)氣壓必須大于這個值。普通掃描電鏡和低真空掃描電鏡樣品室內(nèi)氣壓都在4乇以下，而目前環(huán)境掃描電鏡樣品室內(nèi)的氣壓可以高達(dá)50乇。溫度升高時，水的飽和蒸汽壓也會增大，但常溫下仍不超過50乇。
2、環(huán)境狀態(tài)下可對二次電子成像
二次電子(SE)的能量很低，一般只有幾個電子伏特，其有效發(fā)射深度為nm級，因此二次電子像反映的是樣品表面的細(xì)微形態(tài)。背散射電子(BE)的能量較大，其有效發(fā)射深度接近um級，出樣品表面時已開始發(fā)散。另外，背散射電子探頭只能接收直接射入的BE，效率低，要得到足夠的信號強(qiáng)度，需增加束流，這樣一來也增大了束斑，降低了圖像的分辨率。低真空掃描電鏡在樣品室充氣后只能獲得背散射電子像，而環(huán)境掃描電鏡除背散射電子成像外，還可對二次電子成像，從而實現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)下對檢材自然、真實的表面分析。
3、觀察樣品的相變動態(tài)過程
環(huán)境掃描電鏡配置溫控樣品臺后，可以控制樣品的溫度，溫度變化范圍可達(dá)-20℃―+1500℃。給樣品室充以適當(dāng)?shù)臍怏w，可以觀察樣品的溶解、熔化和凝固、結(jié)晶等動態(tài)過程，并獲得相應(yīng)的物理參數(shù)。因此，環(huán)境掃描電鏡已不再是普通意義上的形態(tài)和成分分析儀器，而是可以對微量樣品進(jìn)行多種物理化學(xué)性能測試的綜合儀器。
環(huán)境掃描電鏡的應(yīng)用1、環(huán)境掃描電鏡在生物檢驗中的應(yīng)用
木材、植物殘片、植物孢粉在物證檢驗中經(jīng)常遇到，人體組織的顯微結(jié)構(gòu)和成分檢驗也可為損傷及其它法醫(yī)學(xué)鑒定提供重要信息。對這些生物檢材來說，顯微形態(tài)檢驗比成分檢驗更重要，但它們的共性是導(dǎo)電性差，含水量高。如果進(jìn)行脫水和導(dǎo)電處理，不但過程十分復(fù)雜，致命的缺點還在于不可避免得造成樣品形態(tài)的改變，從而影響檢驗的可靠性。
環(huán)境掃描電鏡可以在完全自然的狀態(tài)下檢驗這些生物樣品，對于含水甚至潮濕樣品，既不需要脫水，也不必進(jìn)行導(dǎo)電處理。另外，對于微量生物檢材，如作案工具或兇器上的附著的微量動植物組織，發(fā)現(xiàn)和提取本身就是檢驗的重要環(huán)節(jié)。環(huán)境掃描電鏡可在大樣品室內(nèi)直接對作案工具上的微量附著物尋找和定位，并進(jìn)行檢驗。
反過來，對生物體上的附著物，如電擊傷案件中電流斑上金屬成分的檢驗、人體或其它生物檢材表面微量金屬附著物的檢驗，雖然要檢的成分可能導(dǎo)電，但送檢的樣品本身是不導(dǎo)電且含水的，同樣也有一個尋找定位問題，環(huán)境掃描電鏡在這方面更有其獨到的作用。
2、環(huán)境掃描電鏡在纖維檢驗中的應(yīng)用
常規(guī)的掃描電鏡檢驗需對纖維表面進(jìn)行導(dǎo)電處理，但是，案件中常見的織物纖維、紙張纖維以及其它纖維狀檢材結(jié)構(gòu)非常疏松，離子濺射和真空鍍膜法都難以給樣品表面形成連續(xù)的導(dǎo)電層，這是長期以來存在的一個難題。如果使用低真空掃描電鏡，樣品表面雖然不需噴鍍導(dǎo)電層，但只能得到背散射電子像，無法觀察纖維表面的細(xì)微形態(tài)。
應(yīng)用環(huán)境掃描電鏡可使這一難題得到真正解決，在環(huán)掃模式或低真空狀態(tài)下，樣品既不需處理，也可觀察二次電子像，得到纖維表面非常豐富的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這些信息不但對纖維種類鑒別有用，對同種類纖維的進(jìn)一步區(qū)分也具有重要意義。
3、環(huán)境掃描電鏡在昆蟲學(xué)中的應(yīng)用
生物學(xué)中檢驗昆蟲和微生物的方法比較復(fù)雜，而且對檢材的狀態(tài)和數(shù)量都有一定的要求。環(huán)境掃描電鏡在這方面有其獨到之處，檢材用量極小，且不需要脫水及其它特殊處理。對于極其微小的昆蟲及其它生物體，甚至可在活的狀態(tài)下直接進(jìn)行高倍圖像觀察，樣品保持其完全自然真實的形態(tài)，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
掃描電鏡全稱掃描電子顯微鏡，是自上世紀(jì)60年代作為商用電鏡面世以來，迅速發(fā)展起來的一種新型的電子光學(xué)儀器，被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、冶金、材料、半導(dǎo)體制造、微電路檢查等各個研究領(lǐng)域和工業(yè)部門。
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鎢燈絲掃描電鏡總發(fā)射電流和束斑都較大，抗干擾能力和穩(wěn)定性都較好，低真空下可以對不導(dǎo)電樣品無荷電成像，可用于形貌觀察、顯微結(jié)構(gòu)分析、斷口形貌分析，在材料、地質(zhì)、礦產(chǎn)、冶金、機(jī)械、化學(xué)、化工、物理、電子、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的用途。
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氬離子拋光掃描電鏡利用氬離子拋光技術(shù)，通過離子束對樣品表面進(jìn)行削平拋光處理，以便利用掃描電鏡等顯微觀察工具觀察樣品表面的微觀特征。
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臺式掃描電鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。了解臺式掃描電鏡的組成結(jié)構(gòu)，有利于更加合理的使用掃描電鏡，從而延長掃描電鏡的使用壽命及提高操作的精確度。
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冷凍掃描電鏡基于掃描電鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸技術(shù)發(fā)展而來，具有能在高真空狀態(tài)下觀察含水樣品、分辨率高、制樣簡單快速、可對樣品進(jìn)行斷裂刻蝕等優(yōu)點，是生命科學(xué)研究的有力工具。
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場發(fā)射掃描電鏡由電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過一組磁透鏡聚焦聚焦后，用遮蔽孔徑選擇電子束的尺寸后，通過一組控制電子束的掃描線圈，再透過物鏡聚焦，打在樣品上，在樣品的上側(cè)裝有訊號接收器，用以擇取二次電子或背向散射電子成像。
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電子顯微鏡已經(jīng)成為表征各種材料的有力工具。它的多功能性和極高的空間分辨率使其成為許多應(yīng)用中非常有價值的工具。其中，兩種主要的電子顯微鏡是透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)。
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